Твердотельная электроника
для специальности 210105 (200307)
Кафедра ЭП
Давыдов В.Н.
Томск-2006

Зонная теория твердого тела.

№ 1
Для объяснения каких свойств твердых тел применяют зонную диаграмму?
• Энергетическую диаграмму применяют для объяснения оптических и электрических свойств кристаллов.

№ 2
Почему для объяснения электрических свойств твердых тел не применяют модель электропроводности газов?
• В модели электропроводности газов и ионы, и свободные электроны рассматриваются как классические частицы. В кристалле же ионы и свободные электроны рассматриваются как квантовые частицы.

№ 3
Физическая модель кристалла в теории Зоммерфельда:
• В теории Зоммерфельда атомы являются квантовыми системами с дискретным набором разрешенных энергий, а электроны в межатомном пространстве – классическими частицами.

№ 4
Принципиальное отличие физической модели кристалла в теории Блоха от модели кристалла, принятой в теории Зоммерфельда:
• По теории Зоммерфельда электроны движутся в решетке кристалла как свободные частицы, а в теории Блоха свободные электроны движутся, испытывая действие периодического поля от ионов решетки.

№ 5
Принципиальное отличие зонных спектров кристалла в приближении Зоммерфельда и Блоха:
• Зонный спектр по Блоху дает значения энергий для свободных электронов в виде чередующихся полос разрешенных энергий и запрещенных, а модель Зоммерфельда дает непрерывный спектр значений энергии.

№ 6
Физическая картина электропроводности кристаллов по Блоху не отличается от картины, получаемой в модели Зоммерфельда:
• если рассматриваемые кристаллы являются щелочными металлами.

№ 7
Различия зонных спектров кристаллических диэлектриков, кристаллических полупроводников и металлов:
• отличаются шириной зон разрешенных энергий и степенью их заполнения свободными носителями заряда.

№ 8
Причины появления свободных электронов в зоне проводимости собственного (нелегированного) полупроводника:
• за счет тепловой ионизации атомов вещества полупроводника.

№ 9
Как отсчитываются энергии свободных электрона и дырки в полупроводнике на энергетической диаграмме?
• энергия электронов отсчитывается вверх, а дырок - вниз.

№ 10
Можно ли диэлектрик сделать полупроводником?
• Можно, если нагреть диэлектрик до высоких температур, когда станет заметной тепловая генерация электронов и дырок.

Основные понятия теории твердого тела.

№ 1
Отличие квазиимпульса электрона от импульса классической частицы:
• Квазиимпульс электрона является дискретной величиной, а импульс классической частицы – непрерывной.

№ 2
Причина дискретизации значений квазиимпульса электрона в твердом теле:
• Дискретность значения квазиимпульса электрона в твердом теле обусловлена необходимостью образования стоячей волны, с помощью которой описывается поведение электрона в твердом теле.

№ 3
Причина существования верхнего предела значения квазиимпульса электрона в твердом теле:
• обусловлен существованием минимальной длины волны, с помощью которой описывается поведение электрона в твердом теле.

№ 4
“Зона Бриллюэна” в полупроводнике:
• часть k-пространства, в пределах которой может изменяться квазиимпульс электрона.

№ 5
“Энергетическая долина полупроводника”:
• область допустимых значений энергии электронов в зоне проводимости полупроводника при изменении его квазиимпульса.

№ 6
“Прямозонным полупроводником” называется такой полупроводник:
• у которого минимум энергетической долины в зоне проводимости совпадает с максимумом энергетической долины в валентной зоне.

№ 7
“Непрямозонным полупроводником”:
• у которого минимум энергетической долины в зоне проводимости не совпадает с максимумом энергетической долины в валентной зоне.

№ 8
Для определения вероятности заполнения электронами уровня с заданным значением энергии:
• необходимо воспользоваться статистикой Ферми-Дирака.

№ 9
Как видоизменяется энергетическая диаграмма полупроводника при его помещении в постоянное однородное электрическое поле?
• Величины энергетических зазоров на энергетической диаграмме полупроводника не изменяются, но зонная диаграмма наклоняется на угол, определяемый величиной приложенного поля.

№ 10
Физическая причина туннельного пробоя полупроводника:
• Туннельный пробой возникает в полупроводниках при приложении к ним сильного электрического поля из-за конечной вероятности перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости без изменения значения своей энергии.

Кинетические явления в полупроводниках.

№ 1
Использовать кинетическое уравнение Больцмана необходимо:
• для вычисления функции распределения электронов по энергии в твердом теле при неравновесных условиях.

№ 2
Уравнение Больцмана позволяет:
• вычислить функцию распределения электронов по энергии в твердом теле при неравновесных условиях.

№ 3
Состояние полупроводниковой системы могут изменить физические факторы:
• изменения температуры, внешние электрические и магнитные поля, а также столкновения электронов и дырок с дефектами решетки.

№ 4
Интеграл столкновений описывает:
• изменение функции распределения электронов по энергии, координатам и квазиимпульсу, вызванное соударениями свободных носителей заряда с дефектами решетки.

№ 5
Положение уровня Ферми в различных частях рассматриваемой полупроводниковой системы в равновесном состоянии:
• одинаков во всех частях этой системы.

№ 6
Физический смысл времени релаксации возбужденного состояния полупроводниковой системы:
• Время релаксации - есть продолжительность перехода системы из возбужденного состояния в частично возбужденное состояние, соответствующее 30% от исходного возбужденного при выключении возбуждения.

№ 7
Как связан интеграл столкновений и время релаксации возбужденного состояния?
• Время релаксации полностью определяется интегралом столкновений: оно тем больше, чем меньше столкновений свободных носителей заряда с дефектами решетки.

№ 8
Физический смысл подвижности свободных носителей заряда в твердом теле:
• Подвижность характеризует величину их дрейфовой скорости при внешнем электрическом поле, равном по величине единице.

№ 9
Какими параметрами определяется удельная электропроводность полупроводника?
• Определяется только подвижностью и концентрацией свободных носителей заряда.

№ 10
Удельная электропроводность полупроводника:
• есть количество электронов и дырок, прошедших через полупроводник за единицу времени через единичную площадку при действии единичного электрического поля.

Контактные явления в полупроводниках.

№ 1
Работа выхода электрона из твердого тела -
• это работа по переводу электрона с уровня Ферми в вакуум, где он имеет нулевую кинетическую энергию.

№ 2
Как работа выхода зависит от уровня легирования полупроводника?
• Работа выхода электрона в вакуум зависит от положения уровня Ферми в твердом теле.

№ 3
Диод Шоттки на основе полупроводника n-типа:
• Это барьер типа “i-n” на границе раздела “полупроводник n-типа–металл”, полученный в случае, когда работа выхода из полупроводника меньше работы выхода из металла.

№ 4
p-n переход и его особенности:
• Это прибор, представляющий собой соединение двух полупроводников разных типов проводимости и обладающий малым активным сопротивлением при включении в прямом направлении и большим - при включении в обратном направлении.

№ 5
Дифференциальная емкость p-n перехода:
• Это емкость, определяющая реактивное сопротивление перехода, которое оказывает переход малому переменному сигналу.

№ 6
Дифференциальное сопротивление p-n перехода:
• Это омической сопротивление перехода, которое оказывает переход малому переменному сигналу.

№ 7
Биполярный транзистор p-n-p типа:
• Это два перехода p-n и n-p, включенных последовательно навстречу друг другу и имеющих общую n-область малой толщины.

№ 8
Принцип усиления сигнала в биполярном транзисторе:
• Усиление в биполярном транзисторе обусловлено уменьшением высоты потенциального барьера прямо смещенного p-n перехода.

№ 9
Полоса пропускания p-n перехода:
• Это полоса частот тестового сигнала, в пределах которой период тестового сигнала больше или равен времени жизни неравновесных носителей заряда в p-n переходе.

№ 10
Тиристор и его функции:
• Это прибор, полученный последовательным соединением двух однотипных p-n переходов для получения прибора, коммутирующего большой ток.

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом.

№ 1
Коэффициент отражения излучения от твердого тела показывает:
• какая часть падающего оптического излучения отражается от поверхности данного тела во всем телесном угле.

№ 2
Коэффициент поглощения излучения твердым телом показывает:
• на какой глубине от облучаемой поверхности полупроводника мощность падающего оптического излучения уменьшается в 2.7 – раза.

№ 3
Спектр отражения излучения характеризует:
• спектральный состав отраженного излучения при падании на полупроводник излучения заданной мощности и длиной волны от нуля и до бесконечности.

№ 4
Спектр поглощения излучения твердым телом характеризует:
• спектральный состав поглощенного излучения при падании на полупроводник излучения заданной мощности и длиной волны от нуля и до бесконечности.

№ 5
Закон Бугера-Ламберта в полупроводниках описывает:
• закон изменения количества непоглощенных фотонов по мере удаления от обучаемой поверхности.

№ 6
Механизм собственного поглощения излучения в твердом теле:
• основан на поглощении фотонов атомами основного вещества и представляет собой ионизацию атомов полупроводника с образованием электронно-дырочной пары.

№ 7
Механизм примесного поглощения:
• основан на поглощении фотонов атомами примеси и представляет собой ионизацию примесных атомов с образованием носителя заряда одного знака.

№ 8
Механизм решеточного поглощения:
• обусловлен поглощением фотонов ионами и атомами основного вещества полупроводника, находящимися в узлах кристаллической решетки.

№ 9
Поглощение излучения на свободных носителях заряда:
• происходит в результате столкновения фотона и свободного носителя с передачей последнему всего импульса фотона.

№ 10
Механизм внутризонного поглощения:
• происходит при столкновении фотона со свободными носителями заряда, акустическими и оптическими фононами решетки полупроводника, а также ионами примеси в результате которого изменяется энергетическое состояние свободного носителя заряда.

Фотопроводящие эффекты в полупроводниках.

№ 1
Время жизни неравесновесных электронов в полупроводнике:
• равно времени пребывания их в зоне проводимости от момента рождения до момента рекомбинации с дыркой.

№ 2
Время жизни неравновесных дырок в полупроводнике:
• равно времени пребывания их в валентной зоне от момента рождения до момента рекомбинации с электроном.

№ 3
Скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда:
• есть количество прорекомбинировавших электронов или дырок за единицу времени.

№ 4
Скорость генерации неравновесных носителей заряда:
• есть количество созданных электронов или дырок за единицу времени.

№ 5
Фотопроводимость полупроводников:
• это изменение его проводимости, вызванное освещением.

№ 6
Основная причина возникновения фотопроводимости в полупроводнике:
• изменение числа электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, вызванные освещением полупроводника.

№ 7
Время релаксации фотопроводимости:
• это время, в течение которого величина фотопроводимости изменяется в заданное число раз при включении или выключении оптического излучения.

№ 8
Основные отличия собственной фотопроводимости от примесной фотопроводимости:
• Собственная фотопроводимость создается неравновесными носителями заряда, образованными в результате поглощения излучения из собственной полосы поглощения, а примесная фотопроводимость – из примесной полосы поглощения.

№ 9
Коэффициент усиления фотопроводимости в полупроводниках:
• показывает: сколько раз неравновесные электроны и дырки принимают участие в фотопроводимости полупроводника, пробегая по его длине за время своей жизни.

№ 10
По какому закону спадает фотопроводимость после выключения источника генерации неравновесных носителей заряда?
• Экспоненциальному.

Фотовольтаические эффекты в полупроводниках.

№ 1
Фотовольтаическими процессами в полупроводнике называют:
• фотоявления, в результате протекания которых на концах образца возникает напряжение, пропорциональное мощности падающего оптического излучения.

№ 2
Основные физические причины появления фотоэдс в полупроводниках:
• возникает по причине наличия в полупроводнике диффузии неравновесных носителей заряда от места их генерации.

№ 3
Физическая причина возникновения фотоэдс Дембера:
• возникает в результате пространственного разделения неравновесных электронов и дырок за счет их различных подвижностей.

№ 4
- объемной (неоднородной) фотоэдс:
• возникает в полупроводниках, имеющих градиент распределения темнового сопротивления в объеме.

№ 5
- барьерной фотоэдс:
• наличие встроенного электрического поля p-n перехода, которое разделяет неравновесные носители заряда.

№ 6
Физический механизм работы лавинного фотодиода:
• явление лавинного размножение сгенерированных светом носителей заряда в полупроводнике при действии сильного электрического поля.

№ 7
Для увеличения объемной (неоднородной) фотоэдс необходимо:
• Увеличить градиент неоднородности уровня легирования полупроводника и увеличить мощность падающего излучения.

№ 8
- барьерной фотоэдс необходимо:
• Увеличить уровни легирования p- и n- областей и увеличить мощность падающего излучения.

№ 9
Максимальное значение барьерной фотоэдс в p-n переходе:
• ограничено шириной запрещенной зоны полупроводника.

№ 10
Параметр, характеризующий увеличение фототока в лавинных фотодиодах и его физическое содержание:
• Величина коэффициента лавинного умножения, который показывает: во сколько раз ток на выходе фотодиода превышает ток на его входе.

Эмиссия излучения из твердых тел.

№ 1
Процесс излучения твердым телом электромагнитного излучения:
• характеризуется параметром внутренней квантовой эффективности излучения и внешней квантовой эффективности излучения.

№ 2
Излучательную способность твердого тела характеризуют с помощью:
• зависимости мощности излучения от длины волны испускаемого излучения.

№ 3
Сущность сдвига Франка-Кордона в твердом теле:
• представляет собой смещение по длине волны спектра поглощения и спектра излучения твердого тела.

№ 4
Зависимость времени излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда от уровня легирования объема полупроводника:
• уменьшается с ростом концентрации как донорной, так и акцепторной примесей.

№ 5
Вынуженное излучение атома:
• Это излучение, которое излучает атом при воздействии на него фотона с энергией кванта, равной энергетическому интервалу между возбужденным и основным состояниями.

№ 6
Вынужденное поглощение излучения атомом:
• Это поглощение, которое происходит только тогда, когда на атом воздействует фотон с энергией, равной энергетическому интервалу между возбужденным и основным состояниями атома.

№ 7
Закон изменения интенсивности спонтанного излучения твердым телом со временем после выключения источника накачки:
• Интенсивность уменьшается со временем по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой вероятности спонтанного перехода.

№ 8
Физическая природа инверсии населенности в лазерах:
• заключается в том, что на верхних энергетических уровнях концентрация атомов выше, чем это следует из распределения Максвелла-Больцмана.

№ 9
Какой длины должен быть оптический резонатор лазера, генерирующего оптическое излучение длиной волны λ?
• На его длине должно уложиться целое число полуволн генерируемого излучения, измеренных в активном веществе лазера: mλ /(2√ε).

№ 10
Накачка в лазерах необходима для:
• создания инверсии населенности в активном веществе лазера.

Жидкие кристаллы в оптоэлектронике.

№ 1
Основные типы жидких кристаллов, используемых в оптоэлектронике:
• Нематики, смектики, холестерики.

№ 2
Структурное состояние жидких кристаллов характеризуют:
• директором, параметром порядка.

№ 3
Физический смысл директора в жидком кристалле:
• это единичный вектор направления преимущественной ориентации длинных осей молекул жидкого кристалла.

№ 4
Физический смысл параметра порядка в жидком кристалле:
• численно характеризует степень отклонения длинных осей молекул жидкого кристалла от направления, заданного директором.

№ 5
Молекулы нематика в объеме жидкого кристалла расположены:
• параллельны друг другу и не образуют слои жидкого кристалла.

№ 6
- смектика:
• параллельны друг другу и образуют слои жидкого кристалла.

№ 7
- холестерика:
• параллельны друг другу и образуют спираль в объеме жидкого кристалла.

№ 8
Для создания требуемой ориентации молекул нематика в планарной оптической ячейке необходимо:
• опорные поверхности ячейки отшлифовать в одно направлении.

№ 9
- в гомеотропной ячейке:
• обработать в растворе поверхностно активного вещества.

№ 10
Физический смысл электрической когерентной длины в жидком кристалле:
• это расстояние, на которое распространяется ориентирующее влияние внешнего электрического поля, приложенного к опорным поверхностям оптической ячейки.

Поведение жидких кристаллов во внешних полях.

№ 1
Изменение ориентации длинных осей молекул нематика в слабом электрическом поле вызывает:
• переход Фредерикса.

№ 2
Физическая причина возникновения в нематике доменов Капустина-Вильямса:
• из-за существования ионной проводимости жидкого кристалла в электрическом поле.

№ 3
Что происходит с холестерической спиралью в электрическом поле?
• Распрямляется.

№ 4
Особенность динамического рассеяния света в холестериках по сравнению с динамическим рассеянием в нематиках:
• Динамическое рассеяние в холестериках обладает эффектом памяти, а в нематиках этого эффекта нет.

№ 5
Чтобы стереть структурное состояние холестерика, записанное в режиме динамического рассеяния света:
• К нему необходимо приложить переменное электрическое поле выше порога образования динамического рассеяния света.

№ 6
Анизотропию оптических свойств жидких кристаллов характеризуют:
• разностью значений диэлектрической проницаемости, измеренной вдоль и поперек длинных осей молекул.

№ 7
S-эффект в нематике:
• это переход Фредерикса из планарной ориентации директора в гомеотропную при Δε>0.

№ 8
B-эффект в нематике:
• это переход Фредерикса из гомеотропной ориентации директора в планарную при Δε<0.

№ 9
T-эффект в нематике:
• это переход Фредерикса в планарной оптической ячейке с Δε>0, где в исходном состоянии директор закручен на угол 90°.

№ 10
Эффект “гость-хозяин”:
• это эффект изменения цвета оптической ячейки за счет введения красящего вещества типа “дихроик”.

Поверхностные явления в полупроводниках.

№ 1
Причины появления поверхностных состояний:
• возникают в результате обрыва связей атомов, изменения структуры поверхностного слоя полупроводника и адсорбции примесных атомов на поверхность.

№ 2
Состояние обогащения поверхности:
• связано с увеличением числа основных носителей заряда в приповерхностном слое.

№ 3
- обеднения поверхности:
• связано с уменьшением числа основных носителей заряда в приповерхностном слое.

№ 4
- инверсии поверхности:
• связано со сменой типа доминирующих носителей заряда с электронов на дырки, с дырок на электроны в приповерхностном слое полупроводника.

№ 5
Вольт-фарадная характеристика МДП-структуры представляет собой:
• зависимость емкости структуры от величины постоянного напряжения на полевом электроде структуры.

№ 6
Состояние неравновесного обеднения поверхности полупроводника:
• представляет собой обеднение поверхности основными носителями заряда в результате приложения импульсного обедняющего напряжения большой амплитуды.

№ 7
Дебаевская длина экранирования:
• это расстояние, на котором и неподвижные ионы экранируют объем от проникновения внешнего электрического поля.

№ 8
Накопление заряда вблизи поверхности полупроводника достигается:
• приложением импульсного электрического поля большой амплитуды, увеличивающего толщину слоя оголенных ионов примеси.

№ 9
В основе работы полевого транзистора лежит поверхностное свойство полупроводника:
• свойство инверсии заряда свободных носителей у поверхности при приложении постоянного электрического поля большой величины.

№ 10
В основе работы приборов с зарядовой связью лежит поверхностное свойство полупроводника:
• возможность перемещения зарядового пакета вдоль поверхности за счет манипуляций амплитудой импульсов напряжения на соседних электродах МДП-матрицы.

Сверхпроводимость твердых тел.

№ 1
Суть эффекта сверхпроводимости твердых тел:
• резкое снижение сопротивления твердого тела до предельно малых значений сопротивления при температурах ниже критической.

№ 2
Физическая причина, приводящая к появлению сверхпроводимости в твердом теле:
• возникает в результате объединения двух электронов в пару с целым спином и заполнением ими одного энергетического уровня твердого тела.

№ 3
Какими внешними воздействиями можно разрушить сверхпроводящее состояние твердого тела?
• Наложением магнитного поля или электрического поля выше определенной величины, а также нагреванием твердого тела выше критической температуры.

№ 4
Длина когерентности куперовской пары в сверхпроводнике:
• Это среднее расстояние между куперовскими электронами, на котором фононное притяжение больше кулоновского их расталкивания.

№ 5
Чтобы разрушить сверхпроводящее состояние, ток через сверхпроводник:
• должен создать постоянное магнитное поле, превышающее по величине критическое поле сверхпроводимости.

№ 6
Суть эффекта Мейснера:
• При помещении сверхпроводника в магнитное поле он удаляется от магнита вдоль силовых линий поля.

№ 7
суть стационарного эффекта Джозефсона:
• При соединении двух сверхпроводников через слой тонкого диэлектрика через образовавшуюся структуру течет постоянный электрический ток в отсутствии внешнего электрического поля.

№ 8
Суть нестационарного эффекта Джозефсона:
• При соединении двух сверхпроводников через слой тонкого диэлектрика и при протекании через образовавшуюся структуру постоянного электрического тока выше критического на структуре появляется разность потенциалов и переменный ток определенной частоты.

№ 9
Суть высокотемпературной сверхпроводимости:
• Существует ряд керамик, содержащих комплексы “медь-кислород”, критическая температура которых высокая (выше традиционных значений).

№ 10
Чем различаются между собой сверхпроводники первого и второго рода?
• Cверхпроводники первого рода в магнитном поле при превышении критического магнитного поля переходят в обычное состояние скачком, а сверхпроводники второго рода – плавно.

Приборы твердотельной электроники и принципы их работы.

№ 1
Как сформировать диффузионный p-n переход и как определить высоту потенциального барьера на границе раздела областей?
• Диффузионный p-n переход изготавливается путем диффузионного легирования образца n-типа с концентрацией N_d акцепторной примесью с концентрацией N_a заданной величины. Высота формируемого потенциального барьера в этом случае равна
.

№ 2
Как выглядит вольт-амперная характеристика p-n перехода и как она описывается математически?
• Она асимметрична относительно оси напряжений и описывается выражением:
.

№ 3
Фоторезистор и математическое описание его фотопроводимости:
• Фоторезистор представляет собой полупроводниковый образец, проводимость которого сильно зависит от уровня освещения: Δσ=qμ_n Δn+qμ_pΔp.

№ 4
Эффективный источник некогерентного излучения на основе p-n перехода:
• необходимо p-n переход, изготовленный из полупроводника с малым временем излучательной рекомбинации, сместить внешним напряжением в прямом направлении.

№ 5
- когерентного оптического излучения:
• необходимо p-n переход с плоскополированными торцами, изготовленный из полупроводника с малым временем излучательной рекомбинации, сместить большим внешним напряжением в прямом направлении.

№ 6,7
Генератор и приемник СВЧ-излучения на основе сверхпроводника:
• Для этого структуру “сверхпроводник – тонкий диэлектрик - сверхпроводник” помещают в электрическое поле, величина которого берется выше критического начения.

№ 8
Приемник теплового излучения на основе сверхпроводника:
• сверхпроводник охлаждают до критической температуры и регистрируют изменение проводимости сверхпроводника, вызванное тепловым излучением.

№ 9
Устройства отображения информации с малым напряжением питания на основе нематика:
• Для отображения информации необходимо использовать переход Фредерикса в оптической ячейке, на входе и выходе из которой устанавливаются параллельные или скрещенные поляроиды, а также отражающая свет пленка.

№ 10
Устройство отображения температуры твердого тела на основе холестерика:
• необходим холестерик, половина шага спирали которого лежит в диапазоне видимого света.